1、- 1 -电力系统继电保护课后习题答案1 绪论1.5 依据电力元件两端电气量在正常工作和短路状态下的差异，可以构成哪些原理的保护？答：利用电力元件两端电流的差别，可以构成电流差动保护；利用电力元件两端电流相位的差别可以构成电流相位差动保护；利两侧功率方向的差别，可以构成纵联方向比较式保护；利用两侧测量阻抗的大小和方向的差别，可以构成纵联距离保护。1.6 如图 1-1 所示，线路上装设两组电流互感器，线路保护和母线保护应各接哪组互感器？答：线路保护应接 TA1，母线保护应接 TA2。因为母线保护和线路保护的保护区必须重叠，使得任意点的故障都处于保护区内。线 路T A 1 T A 2母 线图 1-
2、1 电流互感器选用示意图1.8 后备保护的作用是什么？阐述远后备保护和近后备保护的优缺点。答：后备保护的作用是在主保护因保护装置拒动、保护回路中的其他环节损坏、断路器拒动等原因不能快速切除故障的情况下，迅速启动来切除故障。远后备保护的优点是：保护范围覆盖所有下级电力元件的主保护范围，它能解决远后备保护范围内所有故障元件由任何原因造成的不能切除问题。远后备保护的缺点是：（1）当多个电源向该电力元件供电时，需要在所有的电源侧的上级元件处配置远后备保护；（2）动作将切除所有上级电源测的断路器，造成事故扩大；（3）在高压电网中难以满足灵敏度的要求。近后备保护的优点是：（1）与主保护安装在同一断路器处，
3、在主保护拒动时近后备保护动作；（2）动作时只能切除主保护要跳开的断路器，不造成事故的扩大；（3）在高压电网中能满足灵敏度的要求。近后备保护的缺点是：变电所直流系统故障时可能与主保护同时失去作用，无法起到“后备”的作用；断路器失灵时无法切除故障，不能起到保护作用。2 电网的电流保护2.3 解释“动作电流”和“返回系数” ，过电流继电器的返回系数过低或高各有何缺点？答：在过电流继电器中，为使继电器启动并闭合其触点，就必须增大通过继电器线圈的电流 ，以增大电磁转矩，能使继电器动作的最小电流称之为动作电流 。kI opI在继电器动作之后，为使它重新返回原位，就必须减小电流以减小电磁力矩，能使继电器返回
4、原位的最大电流称之为继电器的返回电流 。reI过电流继电器返回系数过小时，在相同的动作电流下起返回值较小。一旦动作以后要使继电器返回，过电流继电器的电流就必须小于返回电流，真阳在外故障切除后负荷电流的作用下继电器可能不会返回，最终导致误动跳闸；而返回系数过高时，动作电流恶和返回电流很接近，不能保证可靠动作，输入电流正好在动作值附近时，可能回出现“抖动”现象，使后续电路无法正常工作。- 2 -继电器的动作电流、返回电流和返回系数都可能根据要求进行设定。2.5 说明电流速断、限时电流速断联合工作时，依靠什么环节保证保护动作的选择性？依靠什么环节保证保护动作的灵敏度性和速动性？答：电流速断保护的动作
5、电流必须按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定，即考电流整定值保证选择性。这样，它将不能保护线路全长，而只能保护线路全长的一部分，灵敏度不够。限时电流速断的整定值低于电流速断保护的动作短路，按躲开下级线路电流速断保护的最大动作范围来整定，提高了保护动作的灵敏性，但是为了保证下级线路短路时不误动，增加一个时限阶段的延时，在下级线路故障时由下级的电流速断保护切除故障，保证它的选择性。电流速断和限时电流速断相配合保护线路全长，速断范围内的故障由速断保护快速切除，速断范围外的故障则必须由限时电流速断保护切除。速断保护的速动性好，但动作值高、灵敏性差；限时电流速断保护的动作值低、灵敏度高但需要 0.30
6、.6s 的延时才能动作。速断和限时速断保护的配合，既保证了动作的灵敏性，也能够满足速动性的要求。3 电网距离保护3.1 距离保护是利用正常运行与短路状态间的哪些电气量的差异构成的？答：电力系统正常运行时，保护安装处的电压接近额定电压，电流为正常负荷电流，电压与电流的比值为负荷阻抗，其值较大，阻抗角为功率因数角，数值较小；电力系统发生短路时，保护安装处的电压变为母线残余电压，电流变为短路电流，电压与电流的比值变为保护安装处与短路点之间一段线路的短路阻抗，其值较小，阻抗角为输电线路的阻抗角，数值较大，距离保护就是利用了正常运行与短路时电压和电流的比值，即测量阻抗之间的差异构成的。 2kZ1setk
7、LZROj X3kZ3.2 什么是保护安装处的负荷阻抗、短路阻抗、系统等值阻抗？答：负荷阻抗是指在电力系统正常运行时，保护安装处的电压（近似为额定电压）与电流（负荷电流）的比值。因为电力系统正常运行时电压较高、电流较小、功率因数较高（即电压与电流之间的相位差较小） ，负荷阻抗的特点是量值较大，在阻抗复平面上与 R 轴之间的夹角较小。短路阻抗是指在电力系统发生短路时保护安装处的电压变为母线残余电压，电流变为短路电流，此时测量电压与测量电流的比值就是短路阻抗。短路阻抗即保护安装处与短路点之间一段线路的阻抗，其值较小，阻抗角交大。系统等值阻抗：在单个电源供电的情况下，系统等值阻抗即为保护安装处与背侧
8、电源点之间电力元件的阻抗和；在由多个电源点供电的情况下，系统等值阻抗即为保护安装处断路器断开的情况下，其所连接母线处的戴维南等值阻抗，即系统等值电动势与母线处短路电流的比值，一般通过等值、简化的方法求出。- 3 -3.10 解释什么是阻抗继电器的最大灵敏角，为什么通常选定线路阻抗角为最大灵敏角？答：当测量阻抗 Zm 的阻抗角与正向整定阻抗 Zset1 的阻抗角相等时，阻抗继电器的动作阻抗最大，正好等于 Zset1,即 Zop=Zset1,此时继电器最为灵敏，所以 Zset1 的阻抗角又称为最灵敏角。选定线路阻抗角为最大灵敏角，是为了保证在线路发生金属性短路的情况下，阻抗继电器动作最灵敏。3.1
9、1 导出具有偏移圆特性的阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程。答：如图 34 所示偏移阻抗特性圆，在阻抗复平面上，以 与 末端的连线为直径作1setZ2set出的圆就是偏移特性圆，圆心为 ，半径为 测量阻抗 落在圆12()setstZ()ttmZ内或圆周上时， 末端到圆心的距离一定小于或等于圆的半径，而当测量阻抗 落在圆mZ外时， 末端到圆心的距离一定大于圆的半径，所以绝对值比较动作方程可以表示为当阻抗落在下部分圆周的任一点上时，有1212()()msetstsetstZZ当阻抗落在左上部分圆周的任一点上时，有 当阻抗落2arg90tset 12arg90setmtZ在圆内的任一点
10、时，有 所有阻抗继电器的相位比较动作方程为12arg90setmtZ 1290arg90setmtZ ROj X 1setZm2setZmZ2msetZt1set2set图 3-4 偏移阻抗特性圆3.19 什么是助增电流和外汲电流？它们对阻抗继电器的工作有什么影响？答：图 3-9（a）中母线 B 上未接 分支的情况下， ,此时 k 点短路时，A 处阻抗继电3I12I器 KZ1 测量到的阻抗为 121ABkABkZIUZI在母线 B 接上 分支后， ，k 点短路时，A 处阻抗继电器 KZ1 测量到的阻抗为3I23- 4 -113331 11()ABBkBkBkAkAIZIIZIZUZ 即在 相位
11、与 相差不大的情况下，分支 的存在将使 A 处感受到的测量阻抗变大，这种3I1I 3I使测量阻抗变大的分支就成为助增分支，对应的电流 称为助增电流。3I类似地图 3-9（a）中，在母线 B 上未接 分支的情况下， ，此时 k 点短路时，A 处3I12I阻抗继电器 KZ1 测量到的阻抗为 121ABkABkZIUZI在母线 B 接上 分支后， ，k 点短路时，A 处阻抗继电器 KZ1 测量到的阻抗为3I23I113331 11()ABkBkBkkAZIIUZII即在 相位与 相差不大的情况下，分支 的存在将使 A 处感受到的测量阻抗变小，这种31 3I使测量阻抗变大的分支就成为外汲分支，对应的电
12、流 称为外汲电流。3I3.21 什么是电力系统的振荡？振荡时电压、电流有什么特点？阻抗继电器的测量阻抗如何变化？答：电力系统中发电机失去同步的现象，称为电力系统的振荡；电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的夹角 在 0360范围内作周期性变化，从而使系统中各点的电压、线路电流、距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化。在系统两端电动势相等的条件下，测量阻抗按下式的规律变化，对应的轨迹如图 3.10 所示。1111()cot()cot2222mMMZjZZjj XRNMO O121()MZ12Z 1eKeem- 5 -4 输电线路纵联保护4.4 输电线路纵联保护中通道的作用是什么？通道的种类及其优缺
13、点、适用范围有哪些？答：作用：借助通道(如导引线、载波、微波)传送保护区各端规定的保护信息，并按规定进行综合比较、判别而动作的一种保护。当线路发生故障时，使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。种类：（1） 导引线纵联保护（简称导引线保护）（2） 电力线载波纵联保护（简称高频保护）。 （3） 微波纵联保护（简称微波保护）。 （4） 光纤纵联保护（简称光纤保护）。 （1）导引线纵联保护：优点：不受电力系统震荡的影响，不受非全相运行的影响，在单侧电源运行时仍能正确工作；还具有简单可靠，维修工作量少，投运率极高，技术成熟，服务年限长，动作速度快等优点。 缺点：保护装置受导引线参数和使用
14、长度影响，导引线越长，分布电容越大，则保护装置的安全可靠性越低；导引线电缆造价高，随着使用长度增加，初投资剧增。（2） 电力线载波纵联保护（简称高频保护）优点：无中继通信距离长；经济使用方便；工程施工比较简单。 缺点：高频载波通信容易受高压输电线上的干扰；通信速率低难以满足实时性的要求。应用：一般用来传递状态信号，用于构成方向比较式纵联保护和电流相位比较式纵联保护；还被用于对系统状态监视的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等（3） 微波纵联保护（简称微波保护） 。与电力线载波纵联保护相比 优点：有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上的干扰对通信系统没有影响，通道的检修不影响输电线
15、路的运行；扩展了通信频段，传递信息的容量增加、速率加快，可以传送电流波形信息实现纵联分相电流差动原理的保护；受外界干扰影响小，通信误码率低，可靠性高；输电线路的任何故障都不能使通道工作破坏，因此可以传送反应内部故障信息的允许信号和跳闸信号。传播较远时需要假设微波中继站，通道价格贵。（4） 光纤纵联保护（简称光纤保护）优点：通信容量大；可以节约大量金属材料；保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮；最重要特性就是无感应性能，因此可以利用光纤构成无电磁感应的、极为可靠的通道。 缺点：通信距离不够长，长距离需要使用中继器及其附加设备；光纤不易找寻或修复。 应用：在易受地电位升高
16、、暂态过程及其他严重干扰的金属线路地段之间 4.5 通道传输的信号种类、通道的工作方式有哪些？答：在纵联比较式保护中，通道中传送的信号有三类，即闭锁信号、允许信号和跳闸信号。在纵联电流差动保护中，通道中传送的是线路两端电流的信息，可以是用幅值、相角或实部、虚部表示的相量值，也可以是采样得到的离散值。在纵联电流相位差动保护中，通道中传送的是表示两端电流瞬时值为正（或负）的相位信息，例如，瞬时值为正半周时有高频信息，瞬时值为负半周时无高频信息，检测线路上有高频信息的时间，可以比较线路两端电流的相位。不同的通道有不同的工作方式，对于载波通道而言，有三种工作方式，- 6 -即正常无高频电流方式、正常有
17、高频电流方式和移频方式。对于光纤及微波通道，取决于具体的通信协议形式。4.9 闭锁式纵联保护为什么需要高、低定值的两个启动元件？答：启动元件是在电力系统发生故障时启动发信机而实现比相的。为了防止外部故障时由于两侧保护装置的启动元件可能不同时动作，先启动一侧的比相元件，然后动作一侧的发信机还未发信就开放比相将造成保护误动作，因而必须投置定值不同的两个启动元件。高定值启动元件启动比相元件，低定值的启动发信机。由于低定值启动元件先于高定值启动元件动作，这样就可能保证在外部短路时，高定值启动元件启动比相元件时，保护一定能收到闭锁信号，不会发生误动作。4.12 输电线路纵联电流差动保护在系统振荡、非全相
18、运行期间，会否误动，为什么？答：系统振荡时，线路两侧通过同一个电流，与正常运行及外部故障时的情况一样，差动电流为量值较小的不平衡电流，制动电流较大，选取适当的制动特性，就会保证不误动作。非全相运行时，线路两侧的电流也为同一个电流，电流纵联差动保护也不误动作。4.13 在依靠电力线载波通道的线路上实现纵联电流差动保护较实现方向比较式纵联保护的主要困难是什么？前者保护原理的主要优点是什么？答：当阻波器谐振频率等于高频载波信号的频率时，对载波电流呈现极高的阻抗。耦合电容器对工频信号呈现非常大的阻抗。4.16 为什么要采用带有制动作用的差动特性，它根据什么条件选定？答：不带制动线圈的电流差动继电器，其
19、动作电流必须躲过外部短路时最大不平衡电流进行整定，这相当于按照最极端、最严重的情况来整定继电器。如图 1 中直线所示的1Iop，该数值很大，所以继电器的动作值也很大，这样虽然能够保证区外故障时不误动作（安全性） ，但同时大大牺牲了内部故障时的灵敏度。 采用制动特性后，可使继电器的动作电流随着实际不平衡电流（如图 1 中的曲线）的增大而自动增大，当不平衡电流达到其最大值时，使继电器的动作电流与没有制动的情况下一致，从而可以保证这时继电器不会误动。不平衡电流减小时，动作值也降低，但始终大于不平衡电流，如图 1 中的折线。可见，无论不平衡电流大还是小，差动保护都不会误动。由于动作电流不再始终为最大值
20、，在内部短路特性不变的情况下（如图 1 中的直线） ，可使灵敏度大为提高。如图 1所示，无制动特性时短路电流必须超过 a 点时才能制动，而有制动后，在不降低外部短路安全性的前提下，只要内部短路的电流跨越 b 点，就能够可靠动作。动作电流不是恒定值，而是随制动电流的变化而变化的。4.20 什么是闭锁角，由什么决定其大小，为什么保护必须考虑闭锁角，闭锁角的大小对保护有何影响？答：在实际情况下，由于互感器误差、线路分布电容、高频信号传递时间等原因，区外故障时两侧的收信机收到的高频信号不连续，会出现一定的间断，有可能造成保护的误动，因此应找出外部故障时出现的最大间断角，并进行闭锁，这个角就叫做闭锁角。
21、由互感器的角度误差、序电流滤序器产生的角度误差、线路电容电流引起的角度误差、高频信号沿线传输需要的延时等因素决定。当高频信号的间断时间对应的电气角度小于闭锁角时，就判断为区外故障，可靠将两侧保护闭锁，而当高频信号间断的角度大于闭锁角时，才认为是内部故障，保护才动作跳闸。- 7 -闭锁角越大，外部短路时的安全性越高，越不容易产生误动，对提高保护的可靠性有利，但内部短路时有可能产生拒动。5 自动重合闸5.1 在超高压电网中，目前使用的重合闸有何优、缺点？答：在超高压电网中，目前使用的重合闸一般为综合重合闸，可以设置为单相重合闸方式、三相重合闸方式、综合重合闸方式和停用方式。单相重合闸方式就是在输电
22、线路发生单相接地故障时，仅跳开故障相断路器，然后重合单相，重合不成功则跳开三相不再重合；而发生两相或三相故障时，跳开三相，不重合。三相重合闸方式就是无论发生什么类型和相别的故障，都跳开三相，并重合三相，重合不成功再次跳开三相不再重合。综合重合闸方式是单相重合闸方式与三相重合闸方式的综合，就是发生单相接地故障时，仅跳开故障相断路器，然后重合单相；而在发生两相或三相故障时，跳开三相，并重合三相。停用方式就是不适用重合闸，输电线路无论发生什么故障都跳开三相，且不重合。 优点如下： （1）输电线路 80%以上的故障均为瞬时性故障，重合闸可以大大提高供电的可靠性，减小线路停电的次数。 （2）超高压输电线
23、路绝大多数故障为单相接地故障，采用单相重合闸方式情况下，瞬时性故障仅需要短时地跳开故障相，保持两非故障相线路的连接，重合后恢复三相运行，有利于提高电力系统并列运行的稳定性，提高线路的传输容量。在两相故障时跳开三相是因为保留非故障的单相对提高传输能力作用不大。 缺点如下： （1）重合于永久性故障时，将会使电力系统再一次受到故障的冲击，对超高压系统还可能降低并列运行的稳定性。 （2）使断路器的工作条件变得更加恶劣，因为它要在很短的时间内，连续切断两次短路电流。 （3）在单相重合闸期间，系统出现纵向不对称，有零序和负序分量生。 解决方案：在进行重合闸之前，进行永久性故障的辨识，如果故障为永久性，就不
24、进行重合，避免系统遭受第二次冲击。5.2 何为瞬时性故障，何谓永久性故障？答:当故障发生并切除故障后，经过一定延时故障点绝缘强度恢复、故障点消失，若把断开的线路断路器再合上就能够恢复正常的供电，则称这类故障是瞬时性故障。如果故障不能自动消失，延时后故障点依然存在，则称这类故障是永久性故障。5.3 在超高压电网中使用三相重合为什么要考虑两侧电源的同期问题，使用单项重合闸是否需要考虑同期问题？答：三项重合闸时，无论什么故障均要切除三项故障，当系统网架结构薄弱时，两侧电源在断路器跳闸以后可能失去同步，因此需要考虑两侧电源同期问题；单相故障时只跳单相，使两侧电源之间仍然保持两相运行，一般是同步的；因此
25、，单相重合闸一般不考虑同期问题。5.5 如果必须考虑同期合闸，重合闸是否必须装检同期元件?答：如果必须考虑同期合闸，也不一定必须装检同期元件。当电力系统之间联系紧密(具有三个以上的回路)，系统的结构保证线路两侧不会失步，或当两侧电源有双回路联系- 8 -时，可以采用检查另一线路是否有电流来判断两侧电源是否失去同步。5.11 对选项元件的基本要求是什么？常用的选项原理有哪些？答：保证选择性，即选项元件与继电保护相配合只跳开发生故障的一相，而接于另外两相上的选项元件不应动作；在故障末端发生单相接地短路时，接于该相上的选相元件应保证足够的灵敏性。电流选相元件，低电压选相元件，阻抗选相元件，相电流差突
26、变量选相元件。5.12 什么是重合闸前加速保护？有何优缺点？主要适用于什么场合？答：所谓前加速就是当线路第一次故障时，靠近电源端保护无选择性动作，然后进行重合。如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，再有选择性地切除故障。 采用前加速的优点是：能够快速地切除瞬时性故障；可能使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，从而提高重合闸的成功率；能保证发电厂和重要变电所的母线电压在0.60.7 倍额定电压以上，从而保证厂用电和重要用户的电能质量；使用设备少，只需装设一套重合闸装置，简单、经济。 前加速的缺点是：断路器工作条件恶劣，动作次数多；重合于永久性故障上时，故障切除的时间可能较长；如果靠近电源侧的重
27、合闸装置或断路器拒绝合闸，则将扩大停电范围。甚至在最末一级线路上故障时，都会使连接在这条线路上的所有用户停电。前加速主要用于 35kV 以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路上，以便快速切除故障，保证母线电压。5.13 什么是重合闸后加速保护？有何优缺点？主要适用于什么场合？答： 所谓后加速就是当线路第一次故障时，保护有选择性地动作，然后进行重合，如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，在加速保护动作瞬时切除故障，而与第一次动作是否带有时限无关。 后加速保护的优点是：第一次是有选择地切除故障，不会扩大停电范围，特别是在重要的高压电网中，一般不允许保护无选择性地动作而后以重合闸来纠正；保证了重
28、合于永久性故障时能瞬时切除；和前加速相比，使用中不受网络结构和负荷条件的限制。 后加速保护的缺点是：每个断路器上都需要装设一套重合闸，与前加速相比略为复杂；第一次切除故障可能带有延时。 “后加速”的配合方式广泛应用于 35kV 以上的网络及对重要负荷供电的送电线路上。因为，在这些线路上一般都装有性能比较完备的保护装置。6 电力变压器保护6.3 关于变压器纵差保护中的不平衡电流，试问？1、与差动电流在概念上有何区别与联系？差动电流指被保护设备内部故障时，构成差动保护的各电流互感器的二次电流之和（各电流互感器的参考方向均指向被保护设备时） 。2、哪些是由测量误差引起的？哪些是由变压器结构和参数引起
29、的？- 9 -3、哪些属于稳态不平衡电流？哪些属于暂态不平衡电流？4、电流互感器引起的暂态不平衡电流为什么会偏离时间轴的一侧？5、减小不平衡电流的措施有哪几种？6.6 为什么具有制动特性的差动继电器能够提高灵敏度？何谓最大制动比、最小工作电流、拐点电流？6.10 变压器纵差动保护中消除励磁涌流影响的措施有哪些？它们利用了哪些特征？各有何特点？答：目前，削弱励磁涌流的方法主要有三种：串联电阻；控制三相开关合闸时间；在变压器低压侧并联电容器。其中，由于控制三相开关合闸时间从原理上不需要附属设备，相对另外二种方法有一定优势。从仿真结果来看，控制三相开关合闸时间能够有效抑制励磁涌流的幅值。6.11 对
30、比变压器过电流保护和线路过电流保护的整定原则的区别在哪里？- 10 -答：线路的过电流保护为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，显然保护装置的启动电流必须大于该线路上出现的最大负荷电流 I L.max；同时还必须考虑到外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置必须能够返回，其返回电流应大于负荷自启动电流，一般考虑后一种情况整定。变压器过电流保护：(1)对并列运行的变压器，应考虑切除一台最大容量变压器时，在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器容量相同时，按负荷在剩余的变压器中平均分配计算，有 I L.max=(n/n-1)I N 式中，n 为并列运行变压器的可能最少台数
31、；I N 为每台变压器的额定电流。(2)对降压变压器，应考虑电动机自启动时的最大电流，即IL.max=KssIL.max 式中，IL.max 为正常时的最大负荷电流（一般为变压器的额定电流） ；Kss 为综合负荷的自启动系数。对于 110KV 的降压变电所，低压 610KV 侧取Kss=1.52.5；中压 35KV 侧取 Kss=1.52。按上述原则整定时，有可能会出现灵敏度不足的情况，这时通常需要配置低压启动的过流保护或复合电压启动时的过电流保护。7 发电机保护7.4 发电机的完全差动保护为何不反应匝间短路故障，变压器差动保护能反应吗？答；发电机的完全差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部
32、相电流 I1 和 I2，在定子绕组发生同相匝间短路时两侧电流仍然相等，保护将不能够动作。变压器匝间短路时，相当于增加了绕组的个数，并改变了变压器的变比，此时变压器两侧电流不再相等，流入差动继电器的电流将不在为零，所以变压器纵差动保护能反应绕组的匝间短路故障。7.5 试分析不完全纵差动保护的特点和不足，中性点分支的选取原则？答：不完全纵差动保护也是发电机内部故障的主保护，既能反应发电机（或发电机-变压器组）内部各种相间短路，也能反应匝间短路，并在一定程度上反映分支绕组的开焊故障。7.8 大容量发电机为什么要采用 100%定子接地保护？ 答：大型发电机由于材料利用率高，结构紧凑，发生定子铁芯等部件严重灼伤或定子线圈损坏等故障后，修复将变得十分困难。鉴于以上原因，大型发电机要装设 100定子接地保护。
